基于Arduino的膠囊咖啡平臺機(jī)設(shè)計(jì)

成程　蔣嘉程　吳汶鴻　劉琦　郭文仙

摘 要：傳統(tǒng)膠囊咖啡機(jī)無法控制并存儲咖啡萃取時(shí)的溫度、壓力和流量。因此，該平臺機(jī)將Arduino作為核心控制器，采用傳感器技術(shù)并搭配了相關(guān)的硬件電路，同時(shí)使用Processing在電腦上搭建觀測控制界面，使咖啡萃取時(shí)的各參數(shù)沿設(shè)定曲線變化并記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了萃取過程的精確控制與記錄。

關(guān)鍵詞：膠囊咖啡；平臺機(jī)；Arduino

現(xiàn)在人們對咖啡的消費(fèi)需求越來越大，與此同時(shí)對咖啡的品質(zhì)也就提出更高的要求，而膠囊咖啡就是在這一背景下應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物。膠囊咖啡萃取出的咖啡的質(zhì)量，與萃取時(shí)水流的溫度和流量，以及萃取頭內(nèi)的壓力密切相關(guān)[1]。但是現(xiàn)有的咖啡機(jī)的參數(shù)是在工廠中，憑借經(jīng)驗(yàn)參數(shù)以及多次反復(fù)試驗(yàn)得出的，不能準(zhǔn)確得出咖啡機(jī)萃取時(shí)的精準(zhǔn)參數(shù)，且所有參數(shù)一經(jīng)設(shè)定在萃取過程中就保持恒定，無法實(shí)現(xiàn)參數(shù)的動態(tài)變化。因此，項(xiàng)目基于Arduino開發(fā)板，通過外接NTC溫度傳感器，脈沖式流量計(jì)以及模擬量水壓傳感器，讀取鍋爐出水溫度，進(jìn)水流量和萃取頭內(nèi)水壓。同時(shí)，在電腦上利用Processing搭建了控制觀測界面，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定參數(shù)變化曲線、讀取參數(shù)、繪制曲線以及自動存儲為表格的功能。

1 硬件架構(gòu)與電路設(shè)計(jì)

硬件主要組成部分有控制模塊、檢測模塊、繼電器模塊、執(zhí)行模塊以及上位機(jī)模塊。

控制單元的核心是Arduino開發(fā)板，將其中的引腳A0接壓力傳感器、引腳A3接NTC溫度傳感器、引腳2接流量傳感器，并設(shè)置觸發(fā)方式為上升沿信號。此外，將引腳4，5，6分別接水泵、鍋爐和氣泵的按鈕。將引腳11，12，13分別接水泵、鍋爐和氣泵的繼電器控制模塊。單片機(jī)通過各引腳接收傳感器的信號，感知按鈕按動情況并且通過繼電器模塊控制大功率器件的開關(guān)。

檢測模塊由NTC溫度傳感器、脈沖式流量計(jì)、模擬量水壓傳感器以及其相關(guān)所需的外接電路組成。

繼電器模塊使用了常開式電磁繼電器，并且使用光耦隔離有效降低了可能存在的電磁干擾。

執(zhí)行模塊包含鍋爐、氣泵和水泵。鍋爐使用了微型螺旋立式鍋爐，具有加熱速度快，體積小、可控性強(qiáng)的特點(diǎn)。水泵采用的是微型電磁泵，提供壓力大，瞬時(shí)啟動能力強(qiáng)，具有自吸功能不會造成倒流現(xiàn)象；氣泵采用的是微型真空泵，具有充氣時(shí)間短，氣密性好，持續(xù)工作輸出壓力穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

上位機(jī)模塊，使用USB轉(zhuǎn)TTL的數(shù)據(jù)線連接Arduino和電腦。在Arduino向電腦傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，使用串口通信的方式傳輸現(xiàn)在執(zhí)行模塊的工作狀態(tài)以及溫度、壓力和流量的大小，并且顯示執(zhí)行模塊工作狀態(tài)和3個(gè)參數(shù)的曲線。在電腦向Arduino傳輸指令時(shí)，同樣使用串口通信的方式，將設(shè)定的曲線按時(shí)間分段傳輸至Arduino作為控制目標(biāo)。

2 Arduino程序設(shè)計(jì)

在Arduino中主要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢測、飲品打制和數(shù)據(jù)收發(fā)這3個(gè)功能，如圖1所示。

2.1 狀態(tài)監(jiān)測功能

狀態(tài)檢測模塊分傳感器數(shù)據(jù)讀取和按鈕狀態(tài)讀取兩部分。傳感器讀取的數(shù)據(jù)在外部電路轉(zhuǎn)換成電壓值，被Arduino接收后，在程序中根據(jù)不同傳感器的特性進(jìn)行處理，例如NTC需要進(jìn)行線性化[2]、脈沖式流量計(jì)需要對脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)、模擬量水壓傳感器需要進(jìn)行濾波。

按鈕狀態(tài)是用于測試各設(shè)備的工作狀況的，按下按鈕對應(yīng)的繼電器觸頭應(yīng)當(dāng)閉合，使得對應(yīng)大功率器件能夠獲得工作所需的電壓、電流。平時(shí)，平臺機(jī)自動運(yùn)行，根據(jù)串口接收到的數(shù)據(jù)執(zhí)行操作，將屏蔽按鈕操作，防止異常工況出現(xiàn)。

2.2 飲品打制功能

系統(tǒng)中的飲品打制的流程如圖2所示。

飲品打制中具有幾個(gè)關(guān)鍵狀態(tài)，分別是：預(yù)熱狀態(tài)、計(jì)時(shí)允許狀態(tài)、打制飲品狀態(tài)、吹氣去除殘留液體狀態(tài)。設(shè)計(jì)預(yù)熱狀態(tài)是因?yàn)殄仩t模型的時(shí)間常數(shù)過大，滯后較長，必須增加預(yù)熱狀態(tài)來使得曲線的前期吻合度達(dá)到要求。在打制飲品的過程中根據(jù)流量對打制過程進(jìn)行分段控制，主要控制對象為鍋爐，控制手段是，根據(jù)當(dāng)前流體的溫度是否高于設(shè)定值和余熱升溫之和，如果是就關(guān)閉鍋爐的繼電器，等待后續(xù)水流混合降溫。在打制完成后，由于萃取頭內(nèi)的負(fù)壓效應(yīng)，萃取頭附近管道存在有少量殘留液體，不對其進(jìn)行處理會堵塞管道，影響后續(xù)打制飲品品質(zhì)，因此，加入吹氣過程，通過氣泵吹出殘留的液體。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸功能

數(shù)據(jù)收發(fā)包括數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)輸出兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)讀取是在Processing平臺上對用戶給定的設(shè)定值和打制狀態(tài)進(jìn)行讀取，在Arduino打制飲品之前將相關(guān)的數(shù)據(jù)賦給相關(guān)的變量。數(shù)據(jù)輸出是將打制過程中的傳感器數(shù)據(jù)和打制過程中的各器件狀態(tài)傳輸至上位機(jī)的Processing平臺中進(jìn)行處理。

3 Processing程序設(shè)計(jì)

在Processing中主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境搭建、用戶設(shè)定、數(shù)據(jù)收發(fā)和繪制曲線這4個(gè)模塊，如圖3所示。

3.1 環(huán)境搭建模塊

環(huán)境搭建部分主要包含窗口創(chuàng)建和參變量設(shè)定兩部分。窗口創(chuàng)建包括設(shè)置窗口大小、設(shè)定關(guān)閉界面方式和定義坐標(biāo)參數(shù)。坐標(biāo)參數(shù)用以確定背景圖片和按鈕的位置[3]。

3.2 用戶設(shè)定模塊

在進(jìn)入設(shè)置模塊后，等待用戶操作，用戶操作分鼠標(biāo)操作和鍵盤操作，鼠標(biāo)操作用以確定所需的曲線形狀，鍵盤操作用以確定打制狀態(tài)。在用戶操作完成后，按照一定的規(guī)則將數(shù)據(jù)拆分，添加標(biāo)志進(jìn)行串口通信，將數(shù)據(jù)送至Arduino。

3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊包括數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)輸出兩個(gè)部分，數(shù)據(jù)讀取是指讀取串口數(shù)據(jù)，按照之前設(shè)置的標(biāo)志符號將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。數(shù)據(jù)輸出是將交互界面設(shè)置中給定的設(shè)定值和打制狀態(tài)，加以標(biāo)志符號傳輸至Arduino。

3.4 繪制曲線模塊

繪制曲線部分模塊的流程圖如圖4所示。

繪制曲線的數(shù)據(jù)來自Arduino通過串口通信，并經(jīng)由分割處理后得到。繪制曲線以時(shí)間為橫軸，分別以紅、黃、藍(lán)代表壓力、溫度和流量。在監(jiān)測窗口3條曲線顯示在同一張圖中，可以點(diǎn)擊對應(yīng)按鈕具體觀察某一具體參數(shù)曲線。在繪制曲線完成后，會自動創(chuàng)建表格文件，將繪圖數(shù)據(jù)寫入文件之中。

4 系統(tǒng)調(diào)試與實(shí)物展示

總體硬件完成如圖5所示。

Processing軟件運(yùn)行示意如圖6所示。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)針對解決傳統(tǒng)咖啡機(jī)萃取過程中影響咖啡口感的關(guān)鍵參數(shù)難以讀取存儲的問題，使用Arduino作為硬件控制核心，輔以基于Processing搭建的上位機(jī)平臺，實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力和流量3個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)的存儲和可視化，并且使得3個(gè)參數(shù)能夠較好地跟隨設(shè)定曲線變化。這一系統(tǒng)極大提高了膠囊咖啡口味參數(shù)設(shè)定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，對咖啡機(jī)產(chǎn)業(yè)有較大價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1]文志華，畢曉菲，魯維艷.中國咖啡消費(fèi)趨勢淺談[J].農(nóng)產(chǎn)品加工，2018（2）：69-70.

[2]馮巖.NTC熱敏電阻應(yīng)用于溫度檢測中的誤差線性化研究[J].黑龍江科技信息，2016（14）：69.

[3]郭譚娜，王寧.交互式圖形編程語言Processing應(yīng)用淺析[J].無線互聯(lián)科技，2013（5）：107.